透明素材に新たなブレークスルー！超分子ガラスの「ブラックテクノロジー」

制作：中国科学普及協会

著者: Shi Wuyao (生物学博士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国科学普及の最先端科学技術プロジェクトは、最先端科学技術の最新動向を理解するために、「トップ科学ジャーナルの理解を助ける」と題する一連の記事を開始しました。これは、権威あるジャーナルから優れた論文を選び、できるだけ早く平易な言葉で解釈するものです。トップジャーナルを通して科学の視野を広げ、科学の楽しさを味わいましょう。

スマートフォンの画面から高層ビルの窓まで、透明な素材は私たちの日常生活のいたるところに存在しています。独自の透明性と機能性により、無限の利便性をもたらします。科学者たちはまた、透明材料の分野に新たな革命をもたらす可能性のある超分子ガラスという新たな透明材料の研究も行っています。

では、超分子ガラスとはいったい何なのでしょうか?その独自の利点は何ですか?次に、超分子ガラスの世界に足を踏み入れ、将来の透明材料の新たな章を探ってみましょう。

透明な窓

（写真提供：veerフォトギャラリー）

2024年4月19日、中国の科学者たちは、Nature Communications誌に超分子ガラスの製造に関する論文を発表し、透明度の高い超分子ガラスの開発を発表しました。これは、将来の透明材料の構築に新たなアイデアを提供します。

研究結果はネイチャーコミュニケーションズ誌に掲載された。

（画像出典：ネイチャーコミュニケーションズ）

超分子ガラスとは何ですか？

超分子ガラスという名前はかなり神秘的に聞こえますが、実際には非共有結合による架橋によって形成された非晶質材料です。超分子ガラスは、従来の無機ガラスや有機ガラスと比較して、そのユニークな固有の構造特性と優れた光学特性により、大きな注目を集めています。

透明素材であるだけでなく、リサイクル性、相溶性、熱処理性を兼ね備えた素材です。これらの特性により、超分子ガラスは工業生産、科学研究、日常生活において幅広い応用が期待できます。しかし、超分子ガラスの研究はまだ初期段階にあります。

ガラス

（写真提供：veerフォトギャラリー）

超分子ガラスの作製

科学者たちは、メチル-β-シクロデキストリンとp-ヒドロキシ安息香酸を原料として、溶媒蒸発法で超分子ガラスを合成した。

合成プロセスは主に 2 つの重要なステップに分かれています。まず、高温条件下で、メチル-β-シクロデキストリンと p-ヒドロキシ安息香酸水溶液の混合物中の水分子が蒸発によって除去されます。メチル-β-シクロデキストリンをホスト分子として、p-ヒドロキシ安息香酸をゲスト分子として使用し、ホスト-ゲスト認識を通じて新しい超分子ポリマーを形成します。次に、ポリマーを80℃、20MPaの温度と圧力で10分間ホットプレスして、最終的に透明なバルク超分子ガラスを構築しました。

合成原料の2つの物質間には複数のホスト-ゲストユニット認識モードが存在するため、最終的な超分子ガラスの構造も多様です。

超分子ガラスの製造プロセス

（画像出典：参考1）

超分子ガラスの特性

科学者たちは、作製された超分子ガラスの特性に関する一連の特性評価を実施しました。結果は、合成された超分子ガラスが無色透明であることを示しています。 300～1000nmの広い波長の光を照射した場合、超分子ガラスの透明度は85%を超え、市販の透明ガラス素材の透明度に匹敵します。

しかし、超分子ガラスを真空乾燥すると、可視光透過率が10％未満の不透明な材料になります。

科学者たちは、原子間力顕微鏡、表面積測定、伸張および重量負荷実験を組み合わせて、超分子ガラスの特性をさらに調べました。結果は、調製された超分子ガラスが、優れた安定性と機械的強度を備えた高密度の非多孔性構造を持っていることを示しています。厚さ2mmで200gの重さにも壊れずに耐えられます。

超分子ガラスの特性（a、超分子ガラスの写真、b、超分子ガラスと乾燥ガラスの透過率、c、乾燥ガラスの写真、de、原子間力特性、f、超分子ガラスと乾燥ガラスの換算弾性率と硬度、g、荷重試験、h、引張応力-ひずみ曲線、i、室温および湿度30%での超分子ガラスの引張応力の時間変化）

（画像出典：参考1）

超分子ガラスは、優れた透明性と機械的強度に加え、リサイクルも可能です！超分子ガラスは細かく切断され、ミクロンレベルの小さな粒子に粉砕されます。これらの小さな粒子を溶液に溶かし、溶液中の水を再び加熱して蒸発させ、得られた粗生成物をホットプレスして新しい超分子ガラスを生成します。

準備工程を 5 回繰り返した後でも、最終的に得られるガラスの透明度は最初のガラスに比べて低下しません。

さらに、科学者たちはガラスに硝酸銀、硫酸銅、塩化鉄(III)などの一連の無機化合物と有機化合物を加えたが、それでも製造されたガラスは良好な透明性と機械的強度を維持した。超分子ガラスは、これらの添加物質との化学的適合性が良好です。

この特性に基づいて、科学者はその後の研究では超分子ガラスを改良し、超分子ガラスの応用範囲を拡大することができます。

超分子ガラスのリサイクル性と適合性試験（a、ガラスのリサイクル、b、リサイクルガラスの透明性、c、e、さまざまな化学物質を添加した後のガラス、f、さまざまな化学物質を添加した後のガラスの透明性、g、さまざまな化学物質を添加した後のガラスの弾性率と硬度の低下）

（画像出典：参考1）

結論

超分子ガラスは、材料科学の分野における輝かしい新星として、そのユニークな特性と優れた性能により、多くの分野で幅広い応用の見通しを持っています。しかし、超分子ガラスの研究と応用は、製造プロセスの最適化から性能の向上、コスト管理から環境への配慮まで、依然として多くの課題に直面しています。

私たちは、技術の進歩と徹底的な研究により、超分子ガラスがさらなる驚きとブレークスルーをもたらすと信じています。超分子ガラスの輝かしい未来に期待しましょう！

参考文献:

1.Cai, C.、Wu, S.、Zhang, Y. 他ホスト-ゲスト分子認識により実現したバルク透明超分子ガラス。 Nat Commun 15、3929（2024）。

2.Nie, F.、Wang, KZ. & Yan, D. キラルな金属有機錯体の蒸発誘起自己組織化による、色調整可能な円偏光残光を持つ超分子ガラス。 Nat Commun 14、1654（2023）。

3. 呉神江、張文斌、曹燕、他。ブロック状透明材料の応力分布均一性検出技術に関する研究[J]オートメーションと計測、2022(000-001)。

4. 王延興、楊鵬輝、李仙子、他。耐高温透明材料の研究の進歩[J]。機能性材料、2022、53(10):10054-10061。